1、第48卷第5期2011年10月總第202期港工技術Port Engineering TechnologyVol. 48No.5Oct.2011Total 202海濱電廠橋墩式取水口局部沖淤變化的工程計算方法白玉川1，應超1，高國瑜2，楊浩俊2（1. 天津大學河流海岸工程泥沙研究所，天津300072；2. 中船第九設計研究院工程有限公司，上海200072）摘要：針對大型電廠海域取排水工程中橋墩式取水口的局部沖淤問題，從勢流理論和柱狀坐標系下床面變形方程出發，推導單個取水口的沖淤強度理論計算公式，并利用有限差分法離散笛卡爾坐標系下的床面變形方程，提出便于求解的沖淤場數值模擬方法。以某工程的海水冷卻

2、系統取水口為例，應用該理論公式和數學模型估算取水口附近的泥沙淤積情況取得較好效果，為規劃取水口的設計高程和沖淤防護措施提供了有力支持。關鍵詞：橋墩式取水口；局部沖淤；工程計算方法中圖分類號：TV148.5；TV671文獻標志碼：A文章編號：1004-9592-（2011）05-0006-03Engineering Calculation Method for Local Sour -and -fill Change aroundPier -type Water Intakes of Coastal Power PlantBai Yuchuan 1，Ying Chao 1，Gao Guoyu 2

3、，Yang Haojun 2（1.Institute for Sedimentation on River and Coastal Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ；2. China Shipbuilding NDRI Engineering Co. ，Ltd. ，Shanghai 200063，China ）Abstract ：As for the local sour -and -fill problem around pier -type water intakes in the water supply and

4、 drainage project of large -scale coastal power plant ，the theoretical formula of sour -and -fill intensity is gained for a single water intake ，according to the potential theory and seabed change formula under cylindrical coordinate system. In addition ，finite difference method is used to disperse

5、seabed change formula under Cartesian coordinate system. The convenient sour -and -fill numerical simulation method is put forward too. The water intakes of sea water cooling system in some project are taken as an example. The theoretical formula and numerical model are applied to estimate the sedim

6、ent accumulation around water intakes and better effect is obtained ，which is a great assistance to layout the design elevation of water intakes and the sour -and -fill protective measures.Key words ：pier -type water intake ；local sour -and -fill ；engineering calculation method隨著我國工業化和城市化進程的迅速發展，對電力

7、的需求旺盛，火電和核電項目的數量不斷增多。目前，我國電廠的冷卻水系統分為循環供水和直流供水2大類，絕大多數海濱電廠采用直流供水系統1。直流供水系統的取水口布置又分岸邊型和離岸型2種型式，岸邊型取水建筑物一般與水泵房合建，如塔式進水口；離岸型取水口與水泵房分開布置，如橋墩式取水口、煙斗式取水口等。橋墩式取水口完全淹沒在水面以下，需要經過較長的引橋與岸邊水泵房相收稿日期：2011-06-09修回日期：2011-09-21基金項目：國家自然科學基金資助項目（40776045）作者簡介：白玉川（1967-），男，教授，博士生導師，主要從事海岸動力學及泥沙運動力學方面的研究。連，適用于取水量較大、水域面

8、積廣闊、水體含沙量高、岸坡較為平緩的電廠廠址。保證直流供水系統的取水安全是工程設計的重點，既要保證取得低溫水體，又要避免發生表面吸氣旋渦和泥沙淤塞取水格柵的現象。針對橋墩式取水口局部沖淤變化問題提出理論求解公式和數值計算方法，僅供相關工程計算參考。1求解床面沖淤強度的理論公式為推導床面沖淤強度的理論解，將橋墩式取水口附近的流場概化為無環量圓柱恒定繞流問題，即均勻流和偶極子2個基本流動的疊加2。以圓柱中心為原點建立柱面坐標系，由流體力學理論可以求得流速第5期白玉川，等：海濱電廠橋墩式取水口局部沖淤變化的工程計算方法法計算沖淤場6。其基本方程為：·7·勢函數=v （r+a2/r

9、 ）··cos ；流函數=v （r -a 2/r ）sin 。由此可得流速分布u r =墜/墜r =v （1-a 2/r 2）·cos ；u =（墜/墜）·r -1=-v （1+a 2/r 2）·sin ，式中a 為圓柱半徑；1）水流連續方程：墜U i =0；i2）Reynolds 時均N -S 方程：墜U i +U j 墜U i =i-墜P +墜（2S ji -j i ）；i j3）k 方程：墜k +U j 墜k =ij 墜U i -+墜（+i /j j jk ）墜k ；j4）方程：墜+U j 墜=C1ij 墜U -C 2+2u r 、u 分

10、別為r 、方向的流速；v 為來流速度。計算其合速度u 2=u r 2+u 2=v 2-2v 2a 2/r 2cos （2）+v 2a 4/r 4。在柱坐標系下的床面變形方程為墜z =h （u 墜c +u 墜c ），rm （1）式中z 為床面高程：t 為時間變量；h 為水深；r m 為泥沙的質量密度；水體含沙量c=ku 3/（gh ）m ，經驗系數k 、m 由潮流挾沙的實測資料經回歸分析得出3，4。根據水體含沙量的定義，則有墜c 3u 2km 33（u ）m-1墜u ；墜c =3u 2km （u ）m-1墜u 。將其代入式（1）中可得墜z =3v km （u 2）m -1u m （1-a 2）u

11、 墜u cos -（1+a 2）·m （2）u sin 。墜2由合速度計算公式可得u 墜u 2v 2a cos （2）-422v 2a ；u 墜u 2v 2a sin （2）。在考慮波浪作用時，合流速u 取為u =|u 潮|+|u 浪|，其中u 浪為常浪軌道流速5，代入式（2）并化簡可得床面沖淤強度的理論公式墜z =3v 3km u 3m -22a 2cos （3）-4a 4cos +4a 6cos 。m （3）i j 墜（+/）墜。i kj j式中各項參數取值參見文獻7。笛卡爾坐標系下床面變形方程墜z =1·m墜（u x ch ）+墜（u y ch ），式中u x 、u

12、y 分別為x 、y 方向的流速。對上式進行向前差分整理得（）t ，（）t ，+1tZ t+=Z +i ，j i ，jx r m（）t （）t 。y（4）33.1工程應用實例工程概況以福建省某電廠海水冷卻系統工程為例，離岸式取水設施采用橋墩式布置，距岸線約393m ，取水口附近水域寬闊，平均水深8.7m ，水體含沙量較高，其中大潮全潮垂線平均含沙量0.0316kg/m3，共布置2個取水口，總取水流量55m 3/s。單個取水口直徑22m ，兩取水口圓心間距37m 。電廠取排水口位置示意，見圖1。式（3）的推導過程基于單個取水口的情況，不考慮海床底沙的起動和懸浮，且假定取水口附近流向固定，合流速可由

13、計算確定。在實際工程應用中，由于取水口處的潮流流向往往呈周期性變化，可針對不同的流向，分時段計算床面的沖淤量，即在同一時段內取平均流速與平均流向進行計算。由于上述公式是基于勢流理論推導而得，其計算結果可以疊加，若遇多個取水口的情況，可以采用“分別計算、總量疊加”的方法計算整個取水口范圍內的床面沖淤量。2床面沖淤強度的數值模擬方法一般情況下，對機理清楚、規律明確的物理現象往往可以進行較準確的數值模擬。在推導床面沖淤強度時，一般會作某種程度的近似處理，如上節推導中就將流場概化為無環量圓柱繞流，并近似認為取水口附近初始水深為定值。采用數值模擬方法可以考慮取水口附近的實際水深情況，并可求得更為精確的流

14、場。求解流場的計算采用k -模型，并采用有限差分圖1電廠取排水口位置示意選取典型大潮期間實測數據，分別采用數值模擬法和理論計算法計算取水口附近床面的局部沖淤強度。根據對實測資料的回歸分析可得到上節公式中的系數k=0.044，m =0.043， 在后續計算中水體泥沙·8·港工技術第48卷的質量密度均取r m =1.15t/m3。取水口附近大潮垂線平均流速和流向分布，見圖2。大潮平均流速/（m ·s -1）大潮流向方位角/（°）分布，見圖4。圖3圖2取水口附近大潮垂線平均流速和流向分布大潮期間814h 時段（第2組） 的數值模擬結果3.2床面沖淤強度的數值模

15、擬為計算方便，選取兩取水口圓心連線的中點為原點建立平面直角坐標系。每個典型大潮歷時約27h ，考慮到潮流的流速和流向會隨時間變化，根據流向的變化將其分為4組，分別計算每組的流場和沖淤場，然后疊加得到大潮期間的沖淤總量。計算大潮沖淤強度的潮流分組情況，見表1。分組圖4 整個大潮期間泥沙沖淤強度分布理論公式計算中采用與表1相同的潮流分組，分別計算2個取水口對床面沖淤強度的影響，再將結果疊加。如在計算2個取水口圓心連線中點處大潮期間的沖淤強度時，先計算左下角取水口單獨存在的情況，再計算右上角取水口單獨存在的情況，最后進行疊加。取水口對床面沖淤變化影響的理論計算數據，見表2。根據表2中的數據，將受2個

16、取水口影響的沖z /m-0.2170.150-0.1780.1680.226-0.1560.186-0.175合計沖淤強度/m1234計算大潮沖淤強度的潮流分組情況起止時間/h計算流速/（m 計算流向方位角/（°）·s -1）170.172150.284781415200.1821521270.2447表1大潮期間814h 時段（第2組）的數值模擬結果，見圖3；疊加所得的整個大潮期間泥沙沖淤強度取水口位置左下角取水口分組·v /（m s ）0.170.280.180.240.170.280.180.24-1表2a /m11右上角取水口1234123411取水口對床

17、面沖淤變化影響的理論計算數據·/（°）r /mu /（m s -1）t /s1860.012524252003540.0339752520018.51860.014041216003540.0249612520060.012524252001740.0339752520018.560.014041216001740.02496125200-0.0770.081淤強度疊加即得到取水口圓心連線中點位置在大潮期間的淤積強度為0.004m ，而該點處數值模擬計算的淤積強度為0.0018m ，通過上述2種方法計算的結果屬同一量級，理論公式法計算的淤積強度略大，但基本屬于誤差允許的范圍。擇比較適合的計算方法。參考文獻1金嵐，李平衡，等. 水域熱影響概論M.北京：高等教育出版社，1993.2潘文全. 流體力學M.北京：機械工業出版社，1980. 3王尚毅. 河口工程泥沙數學模型M.天津：天津大學出版社，1990.4結論本研究針對實際工程中橋墩式取水口的局部沖淤變化提出理論公式解法與數值模擬解法，理論公式解法在求解某一確定點的沖淤變化時較為方便，且能達到一定的精度；數值模擬解法更適合求解取水口附近一定范圍的沖淤場變化，模擬計算時可以考慮更多的影響因素，在應用時